Влияние гармоник учитывается, главным образом, путем увеличения номинальной мощности конденсаторов и последовательного подсоединения включения реакторов для подавления гармоник
Рис. К21: Принцип работы пассивного фильтра
Проблемы, связанные с гармоническими составляющими энергосистемы
Оборудование, включающее силовые электронные компоненты (частотное регулирование двигателей, тиристорные выпрямители и т.д.) значительно увеличивает проблемы вызываемые гармоническими составляющими в системе электропитания. Гармоники создают проблемы с момента зарождения промышленности и вызваны нелинейными сопротивлениями намагничивания трансформаторов, реакторов, балластными сопротивлениями резонансных ламп и т.д.
Гармоники симметричных 3-х фазных систем являются, как правило, нечетными: 3-я, 5-я, 7-я, 9-я..., и их величина уменьшается с увеличением порядкового номера. Несколько устройств могут быть использованы различными путями для снижения конкретных гармоник до пренебрежимо малых значений - полное устранение невозможно. В данном разделе рекомендуются практические средства снижения влияния гармоник, особенно для блоков конденсаторов.
Конденсаторы особо чувствительны к гармоническим составляющим питающего напряжения в силу того, что емкостное реактивное сопротивление уменьшается при увеличении частоты. На практике это означает, что лишь относительно малый процент гармонических напряжений может вызывать протекание значительного тока в цепи конденсаторов. Присутствие гармоник вызывает искажение (нормально синусоидальной) формы волны напряжения или тока; чем выше содержание гармоник, тем больше степень искажения. Если собственная резонансная частота комбинации «блок конденсаторов/реактивное сопротивление энергосистемы» близка к частоте конкретной гармоники, возникает частичный резонанс с повышенными значениями напряжения и тока при частоте гармоники. В данном случае повышенный ток вызовет перегрев конденсатора с постепенным ухудшением диэлектрика, которое в конечном итоге приводит к выходу из строя. Имеется несколько решений этих проблем с применением следующих средств:
Параллельно подсоединенный фильтр и/или реакторы для подавления гармоник или
Активные силовые фильтры или
Гибридные фильтры
Возможные решения
Пассивный фильтр (см. Рис. К28) Противодействие гармоникам
Присутствие гармоник в питающем напряжении приводит к ненормально высоким уровням тока через конденсаторы. Поправка на это делается при расчете с учетом среднеквадратичного значения тока, которое в 1,3 раза больше номинального тока. Все последовательные элементы, такие как соединения, плавкие предохранители, переключатели и т.д., связанные с конденсаторами, рассчитываются с аналогичным увеличением (в 1,3-1,5 раза больше номинального значения).
Искажение гармониками формы волны напряжения часто выражается в появлении «пиков» и увеличении амплитуды нормальной синусоидальной волны. Такая возможность вместе с другими условиями перенапряжения, которые могут возникать при противодействии резонансным эффектам, как описывается ниже, учитываются путем увеличения уровня изоляции выше уровня изоляции «стандартных» конденсаторов. Во многих случаях эти две меры достаточны для обеспечения удовлетворительной работы.
Противодействие резонансным эффектам
Конденсаторы являются линейными реактивными устройствами и, как следствие, не генерируют гармоник. Однако, установка конденсаторов в энергосистеме (в которой сопротивления являются преимущественно индуктивными) может приводить к суммарному или частичному резонансу при одной из гармонических частот.
Порядок гармоники ho наименьшей резонансной частоты между индуктивностью системы и блоком конденсаторов определяется по формуле
где
Ssc = уровень мощности (кВА) КЗ системы в точке соединения конденсатора Q = номинальное значение мощности блока конденсаторов в квар; и ho = порядок гармоники
наименьшей резонансной частоты fo, т.е. gQ для системы 50 Гц или Jq для системы 60 Гц.
Например,может быть давать значение 2,93, которое показывает, что
наименьшая
частота резонанса комбинации «конденсатор/индуктивность системы» близка к частоте гармоники 3-го порядка системы.
Из соотношения ho = ^ следует, что fo = 50 ho = 50 x 2,93 = 146,5 Гц.
Чем ближе собственная частота резонанса приближается к частоте одной из гармоник, присутствующей в системе, тем больше (нежелательный) эффект. В вышеприведенном примере с большой вероятностью возникнут условия резонанса с гармонической составляющей 3-го порядка искаженной волны.
В таких случаях необходимо принять меры для изменения собственной частоты резонанса на значение, при котором не будет резонанса с какой-либо присутствующей гармоникой. Это достигается путем подсоединения последовательно с конденсатором катушки индуктивности для подавления гармоник.
В системах 50 Гц такие реакторы часто настраиваются на доведение собственной частоты резонанса комбинации, т.е., блок конденсаторов + реакторы, до 190 Гц. Реакторы настраиваются на 228 Гц для системы 60 Гц. Такие частоты соответствуют значению ho 3,8 для системы 50 Гц, т.е., приблизительно посередине между гармониками 3-го и 5-го порядка. В такой схеме присутствие реактора увеличивает ток основной частоты (50 Гц или 60 Гц) на небольшую величину (7-8%), а также напряжение через конденсатор в том же соотношении. Эта характеристика учитывается, например, при использовании конденсаторов, рассчитанных на 440В для систем 400В.
Активный фильтр (см. Рис. К29)
Активные фильтры основаны на использовании силовой электроники. Как правило, они устанавливаются параллельно с нелинейной нагрузкой.
Активные фильтры анализируют гармоники, вводимые нагрузкой, и затем подают ток такой же гармоники на нагрузку с соответствующей фазой. В результате гармонические токи полностью нейтрализуются. Это означает, что они не могут больше проходить вверх к источнику питания и больше не выдаются источником.
Основное преимущество активных фильтров состоит в том, что они гарантируют эффективную компенсацию гармоник даже при изменении установки. Они исключительно просты в использовании в силу следующих характеристик:
Автоматическая настройка конфигурации под гармонические нагрузки независимо от порядка гармоник
Устранение рисков перегрузки
Совместимость с электрогенераторами
Подсоединение в любой точке электрической сети
Несколько фильтров могут использоваться в одной и той же установке для повышения эффективности устранения гармоник (например, в случае установки новой машины)
Рис. К21.: Принцип работы активного фильтра
Рис. К3{ : Принцип работы гибридного фильтра
Кроме того, активные фильтры могут также обеспечить компенсацию коэффициента мощности.
Гибридный фильтр (см. Рис. К30)
Данный тип фильтра объединяет преимущества пассивного и активного фильтра. Одна частота может отфильтровываться пассивным фильтром, а все другие частоты - активным фильтром.
Рис. К3 : Выбор наиболее пригодной технологии в зависимости от области применения
9.3 Выбор оптимального решения
Рис. К31 ниже показывает критерии, которые могут учитываться при выборе наиболее пригодной
технологии в зависимости от области применения.
Для пассивного фильтра выбор делается на основе следующих параметров:
Gh = сумма номинальных значений кВА всех устройств, генерирующих гармоники (статические преобразователи, инвертеры, регуляторы скорости и т.д.), подсоединенных к шинам, от которых питается блок конденсаторов. Если номинальные значения некоторых из таких устройств указываются только в кВт, принимается средний коэффициент мощности 0,7 для получения номинальных значений кВА.
Ssc = мощность трехфазного короткого замыкания в кВА на зажимах блока конденсаторов
Sn = сумма номинальных значений кВА всех трансформаторов, питающих (т.е., непосредственно подключенных к сборным шинам).
Если ряд трансформаторов работает в параллельном режиме, вывод одного или нескольких из них приводит к значительному изменению значений Ssc и Sn. На основе этих параметров выбор конденсатора, обеспечивающего допустимый уровень работы при гармонических напряжениях и токах системы, может делаться с помощью Рис. К32.
■ Общее правило, применимое для трансформатора с любой номинальной мощности
Рис. К3: Выбор решений по ограничению гармоник, связанных с низковольтным блоком конденсаторов, питаемых через трансформатор
